DE102006001198A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Einstellung gezielter Eigenschaftskombinationen bei Mehrphasenstählen - Google Patents

Abstract

Mehrphasenstähle weisen gegenüber konventionellen Stahlgüten eine deutlich verbesserte Kombination aus Festigkeit und Duktilität auf und gewinnen deshalb - insbesondere für die Automobilindustrie - immer mehr an Bedeutung. Die z. Z. bedeutendsten Stahlgruppen für den Automobilbau sind Dualphasenstähle und TRIP-Stähle. Die für unterschiedliche Anorderungen durchzuführende Herstellung unterschiedlicher Mehrphasenstahl-Festigkeitsklassen unmittelbar am Warmband erfordert ein sehr umfangreiches Prozess-Know-how sowie vorab eine entsprechende Anpassung der Legierungselemente. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, anschließend an die eigentliche Herstellung von Mehrphasenstählen mit einer Standardanalyse und einer Standardprozessführung eine Glühbehandlung (30) mit variabler Glühtemperatur und Glühdauer durchzuführen, wodurch sich nahezu beliebige Kombinationen unterschiedlicher Werkstoffe bzw. Eigenschaftskombinationen (Höhe der Streckgrenze, Zugfestigkeitsniveau) einstellen lassen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einstellung gezielter Eigenschaftskombinationen bei warmgewalzten Mehrphasenstählen, deren mehrphasiger Aufbau mindestens 30 % Ferrit und höchstens 50 % Martensit umfasst, beispielsweise Dualphasen- und TRIP-Stählen, die auf einer herkömmlichen Warmwalzstraße, einer Dünnbrammen-Gieß-Walzanlage oder entsprechenden Schmal- und Mittelbandstraßen oder einer Drahtstraße mit einer Standardanalyse und einer Standardprozessführung hergestellt werden.
• Mehrphasenstähle weisen gegenüber konventionellen Stahlgüten eine deutlich verbesserte Kombination aus Festigkeit und Duktilität auf und gewinnen deshalb – insbesondere für die Automobilindustrie – immer mehr an Bedeutung. Die z. Z. bedeutendsten Stahlgruppen für den Automobilbau sind Dualphasenstähle und TRIP-Stähle.
• Aufgrund der deutlich niedrigeren Herstellungskosten bietet die Variante der Herstellung direkt als Warmband dabei wirtschaftliche Vorteile und besitzt somit ein sehr großes Potenzial für die Zukunft.
• Charakteristisch für Dualphasen-Stähle ist ein niedriges Streckgrenzenverhältnis, welches in der Regel zwischen 50 und 70 % liegt. Im Vergleich zu HSLA-Stählen (high-strength low-alloy), d. h. hochfesten, niedrig legierten Baustählen werden neben der niedrigeren Streckgrenze bei gleichem Zugfestigkeitsniveau deutlich bessere Dehnungswerte erreicht. Für einige Anwendungen (beispielsweise Rohre) kann es gewünscht sein, dass das Streckgrenzenverhältnis auf definierte Werte eingestellt werden muss, aber dennoch die Bruchdehnung so groß wie möglich ist.
• Da die Herstellung unterschiedlicher Festigkeitsklassen unmittelbar am Warmband ein sehr umfangreiches Prozess-Know-how erfordert, ist es Stand der Technik, für jeden einzelnen Werkstoff entweder die chemische Analyse oder aber die Prozessführung anzupassen, wobei Trip-Stähle grundsätzlich ein etwas höheres Streckgrenzenverhältnis gegenüber Dualphasen-Stählen aufweisen.
• Aus der EP 1 108 072 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Dualphasen-Stählen bekannt, bei dem nach dem Fertigwalzen mit einer zweistufigen Abkühlung ein zweiphasiges Gefüge aus 70 bis 90 % Ferrit und 30 bis 10 % Martensit erreicht wird. Die erste (langsame) Kühlung wird in einer Kühlstrecke durchgeführt, in der das Warmband durch mit Abstand hintereinander angeordnete Wasserkühlstufen mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 20–30 K/s definiert gekühlt wird. Die Abkühlung ist dabei so eingestellt, dass die Abkühlkurve mit einer noch so hohen Temperatur in das Ferritgebiet einläuft, dass die Ferritbildung schnell erfolgen kann. Diese erste Kühlung wird so lange fortgesetzt, bis mindestens 70 % des Austenits in Ferrit umgewandelt sind, bevor die weitere (schnelle) Abkühlung unmittelbar und ohne Haltezeit anschließt.
• Der besondere Effekt der TRIP-Stähle (transformation induced plasticity) mit einem Gefüge von beispielsweise 40–70 % Ferrit, 15–40 % Bainit und 5–20 Restaustenit ist die Umwandlung des metastabilen Restaustenits zu Martensit, wenn eine äußere plastische Verformung auftritt. Diese mit einer Volumenzunahme und einer Plastifizierung der ferritischen Matrix verbundene Umwandlung, welche nicht alleine vom Austenit, sondern auch von den umliegenden Gefügebe standteilen getragen wird, hat eine höhere Verfestigung zur Folge und führt insgesamt zu höheren plastischen Dehnungen. Es ergibt sich für derart hergestellte Stähle eine außergewöhnliche Kombination von hoher Festigkeit und hoher Duktilität, weshalb sie sich besonders für eine Verwendung in der Autoindustrie eignen.
• Zur Herstellung eines perlitfreien warmgewalzten Stahlbandes mit TRIP-Eigenschaften ist aus der EP 1 396 549 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem eine Stahlschmelze, die neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen mindestens eines der Elemente Ti oder Nb als wesentlichen Bestandteil und wahlweise eines oder mehrere der Elemente max. 0,8 % Cr, max. 0,8 % Cu, max. 1,0 % Ni enthält, zu Dünnbrammen vergossen wird, die mit einer 850 bis 1050 °C betragenden Einlauftemperatur in einem Glühofen für eine Glühdauer von 10 bis 60 Minuten bei 1000 bis 1200 °C geglüht werden. Nach einer Entzunderung werden die Dünnbrammen dann im Bereich von 750 bis 1000 °C fertig warmgewalzt und dann auf eine Haspeltemperatur von 300 bis 530 °C in zwei Stufen mit einer gesteuerten Abkühlgeschwindigkeit der ersten Stufe von mindestens 150 K/s und einer Kühlpause von 4 bis 8 Sekunden abgekühlt. Neben der vorgeschriebenen Verfahrensführung ist das Vorhandensein von Ti und/oder Nb von Bedeutung, da diese Elemente bis zum Beginn des Warmwalzens in Lösung bleiben und bei ihrem späteren Ausscheiden u. a. die Kornfeinheit des Warmbandes, eine Erhöhung des Restaustenitgehaltes und dessen Stabilität verbessern.
• Schließlich ist aus der EP 1 394 279 B1 ein Verfahren zur Herstellung eines kohlenstoffarmen Stahls hoher Festigkeit und hoher Duktilität mit einer Zugfestigkeit von größer 800 MPa, einer gleichmäßigen Dehnung von größer 5 % und einer Bruchdehnung von größer 20 % bekannt. Ausgehend von einem gehärteten bzw. vergüteten Vormaterial, einem Stahl mit 0,20 % C, 1,60 % Mn und Beimengungen an Bor und einem Martensitphasenanteil von größer 90 % wird nach einer Kaltwalzung von größer 20 % der Gesamtwalzung eine Glühbehandlung bei einer Temperatur zwischen 500 und 600 °C durchgeführt, wobei ein Gefüge mit einer ultrafeinen, kristallinen, körnigen Ferritstruktur von 100 bis 300 nm mit im Ferrit abgelagerten Eisenkarbiden erhalten wird.
• Von diesem Stand der Technik ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, womit Mehrphasenstähle, die mit einer Standardanalyse und einer Standardprozessführung hergestellt wurden, zu Stahlsorten mit nahezu beliebigen Eigenschaftskombinationen umgewandelt werden können.
• Die gestellte Aufgabe wird verfahrensmäßig mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass im Anschluss an die Abkühlung aus dem Warmwalzen oder eines späteren Fertigungsschrittes, beispielsweise bei der Fertigung von Bauteilen, durch eine nach- bzw. zwischengeschaltete Glühbehandlung mit variabler Glühtemperatur und variabler Glühdauer die gewünschten Kombinationen von Festigkeiten und Streckgrenzenverhältnissen an den Mehrphasenstählen eingestellt werden. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist durch die Merkmale des Anspruchs 8 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Durch die der eigentlichen Herstellung nachgeschaltete, erfindungsgemäß angepasste und einfach durchzuführende Glühbehandlung an Mehrphasenstählen mit einer Standardanalyse und einer Standardprozessführung lassen sich nahezu beliebige Kombinationen unterschiedlicher Werkstoffe bzw. Eigenschaftskombinationen (Höhe der Streckgrenze, Zugfestigkeitsniveau) einstellen. Die Herstellung unterschiedlicher Mehrphasenstahl-Festigkeitsklassen unmittelbar am Warmband erfordert dagegen ein sehr umfangreiches Prozess-Know-how sowie vorab eine entsprechende Anpassung der Legierungselemente.
• Erfindungsgemäß wird die Glühbehandlung mit einer variablen Glühtemperatur von ≤ 600 °C und einer gleichfalls variablen Glühdauer von ≤ 120 s so durchge führt, dass das resultierende Gefüge aus einer ferritischen Grundmatrix sowie angelassenem Martensit oder Bainit mit 10 bis 50 % des Flächenanteils besteht. Durch die Glühtemperatur wird dabei in erster Linie die Höhe der Streckgrenze durch fein verteilte Ausscheidungen von Karbiden auf den Korngrenzen des Martensits oder Bainits beeinflusst und durch die Glühdauer ist das Zugfestigkeitsniveau einstellbar.
• Die Durchführung der Glühbehandlung kann entsprechend der Erfindung, angepasst an vorhandene Gegebenheiten, unabhängig von vor- oder nachgeschalteten Verfahrensstufen offline in einer Durchlaufglüheinrichtung erfolgen oder aber online in der vorhandenen Prozesslinie, beispielsweise im Rahmen einer Bandverzinkung in der Aufheizstufe einer Verzinkungslinie vor dem Einlauf in das Zinkbad, durchgeführt werden.
• Erfindungsgemäß ist es weiterhin möglich, dass die Glühbehandlung an bereits fertig gepressten Bauteilen (Rahmenkonstruktionen, Räder, Verbindungselemente u. a.) vorgenommen wird, wodurch diese Bauteile nachträglich in ihren mechanischen Eigenschaften verbessert werden. Vorteil dieser Verfahrensweise ist, dass die Umformung zum Bauteil an einem gut kaltumformbaren Material mit niedrigem Streckgrenzenverhältnis bei guter Dehnung vorgenommen werden kann und somit der Werkzeugverschleiß vergleichsweise niedrig gehalten wird. Durch die nachfolgende Glühbehandlung wird die Festigkeit der Bauteile auf Werte gesteigert, die sonst nur schwer vorgegeben werden können, da dann die Presskraft der Umformmaschinen nicht ausreichen würde.
• Neben der ganzheitlichen Glühbehandlung eines Bauteils ist nach der Erfindung auch die Anwendung einer zonalen Glühbehandlung an örtlich begrenzten Stellen eines Bauteils gezielt möglich. Zielrichtung ist hierbei der teilweise Ersatz von geschweißten "Tailor Blanks". Bei den Tailor Blanks werden gezielt an bestimmten Stellen von Bauteilen Stähle höherer Festigkeit eingeschweißt, um gewünschte Bauteilsteifigkeiten einzustellen. Auf dieses Einschweißen könnte aber verzichtet werden, wenn stattdessen dann an den betreffenden Stellen eine zonale Glühbehandlung vorgenommen wird.
• Eine Vorrichtung zur Einstellung gezielter Eigenschaftskombinationen bei warmgewalzten Mehrphasenstählen durch eine Glühbehandlung, ist erfindungsgemäß durch eine an einem frei wählbaren Ort innerhalb der Produktionsanlage bzw. Produktionslinie angeordneten thermischen Anlage gekennzeichnet, in der eine Glühbehandlung bis zu einer Glühtemperatur von ≤ 600 °C und bis zu einer Glühdauer von ≤ 120 s durchführbar ist. Diese thermische Anlage kann eine Durchlaufglüheinrichtung sein, in der offline die Glühbehandlung beispielsweise von Bauteilen vorgenommen wird oder sie ist online in einer vorhandenen Prozesslinie, beispielsweise im Rahmen einer Bandverzinkung, in der Aufheizstufe einer Verzinkungslinie vor dem Einlauf in das Zinkbad angeordnet.
• Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Glühbehandlung wird u. a. an folgendem Beispiel deutlich. Dualphasenstähle weisen teilweise anisotrope Zähigkeitseigenschaften in Walzrichtung und quer dazu auf. Bei einem an einem als Warmband hergestellten Dualphasenstahl mit 980–1035 N/mm² Zugfestigkeit erfindungsgemäß durchgeführten kurzen Glühbehandlung über 60 s bei 500 °C ließ sich diese Anisotrophie der Eigenschaften in beiden Richtungen vergleichmäßigen (isotrope Eigenschaften). Wie die folgende Tabelle zeigt, besitzt das unbehandelte Warmband (Glühdauer 0 s) eine deutlich unterschiedliche Ausbildung der Bruchdehnungen in Walzlängs- und Walzquerrichtung. Durch die kurze Glühbehandlung (Glühdauer 1 min.) nimmt die Zugfestigkeit etwas ab, dafür steigen die Werte für die Bruchdehnung insgesamt auf ein höheres Niveau:

  
• Diese am Beispiel des Dualphasenstahls dargestellten Zusammenhänge gelten in gleicher Weise auch für TRIP-Stähle.
• Weitere Einzelheiten zur möglichen Durchführung der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Glühbehandlung werden nachfolgend an in schematischen Zeichnungsfiguren dargestellten Flussbildern näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 ein Flussbild der Glühbehandlung von Bandmaterial,
• 2 ein Flussbild der Glühbehandlung von Drahtmaterial,
• 3 ein Flussbild der Glühbehandlung von Bauteilen.
• In den 1 bis 3 sind in Form von Flussbildern, die für die erfindungsgemäße Glühbehandlung von Bandmaterial (1), von Drahtmaterial (2) und von Bauteilen (3) erforderlichen einzelnen Verfahrensschritte dargestellt, wobei der jeweilige Verfahrensweg mit nummerierten Richtungspfeilen gekennzeichneten ist. Allen aufgeführten Flussbildern ist gemeinsam, dass als Ausgangspunkt zunächst ein Warmwalzen erfolgt, an das sich eine gesteuerte Abkühlung aus dem Warmwalzen zur Erzielung eines mehrphasigen Gefüges anschließt. Die wei teren möglichen Verfahrensschritte und der Zeitpunkt der durchgeführten Glühbehandlung bei den verschiedenen Materialien werden nachfolgend beschrieben.
• In 1 sind mögliche Verfahrenswege 1, 2 für eine Glühbehandlung von Bandmaterial vor der Weiterverarbeitung dargestellt. Beim Verfahrensweg 1 wird nach dem Warmwalzen 10 und der gesteuerten Abkühlung 20 eine Glühbehandlung 30 durchgeführt und daran anschließend das Bandmaterial zur Weiterverarbeitung zum Fertigprodukt 80 geführt. Die Glühbehandlung 30 kann online durchgeführt werden, wozu ein entsprechender Durchlaufofen in der vorhandenen Prozesslinie anzuordnen ist.
• Beim eingezeichneten Verfahrensweg 2 findet beispielsweise eine Bandverzinkung 40 des Warmbandes statt, sodass davor online eine kontinuierliche Glühbehandlung 30 in der Aufheizstufe der Verzinkungslinie durchgeführt werden kann. Im Anschluss an die Bandverzinkung 40 erfolgt dann die Weiterverarbeitung zum Fertigprodukt 80 des Bandmaterials.
• In der 2 sind mögliche Verfahrenswege 1, 2, 3 für eine Glühbehandlung von Drahtmaterial dargestellt. Beim dargestellten Verfahrensweg 1 erfolgt nach dem Warmwalzen 10 und der anschließenden gesteuerten Abkühlung 20 die Glühbehandlung 30, die hier wie beim Bandmaterial online durchgeführt werden kann. An die Glühbehandlung 30 schließt sich dann direkt die Weiterverarbeitung zum Fertigprodukt 80 an.
• Entsprechend dem Verfahrensweg 2 findet nach der auch hier online möglichen Durchführung der Glühbehandlung 30 noch ein weiterer Verarbeitungsschritt, u. z. das Pressen 50 von Verbindungselementen statt, bevor das Drahtmaterial der Weiterverarbeitung zum Fertigprodukt 80 zugeführt wird.
• Alternativ kann dieses Pressen 50 von Verbindungselementen bereits vor der Glühbehandlung 30 durchgeführt werden, wie der Verfahrensweg 3 aufzeigt. Die sich hierdurch ergebenden hintereinander angeordneten Verfahrensschritte sind dann: Warmwalzen 10, gesteuerte Abkühlung 20, Pressen 50 von Verbindungselementen, Glühbehandlung 30 und schließlich die Weiterverarbeitung zum Fertigprodukt 80.
• In 3 sind mögliche Verfahrenswege 1, 2, 3 für eine Glühbehandlung von Bauteilen dargestellt, wobei für alle drei Verfahrenswege nach der gesteuerten Abkühlung 20 zunächst mit der Herstellung eines Rohlings 60 ein weiterer Verfahrensschritt erfolgt.
• Beim Verfahrensweg 1, der Herstellung von Bauteilen mit justierten mechanischen Eigenschaften, erfolgt nach der Herstellung des Rohlings 60 das Pressen der Bauteile 70. Das gesamte Bauteil wird dann einer Glühbehandlung 30 unterzogen und anschließend der Weiterverarbeitung zum Fertigprodukt 80 zugeführt.
• Beim Verfahrensweg 2, der Herstellung von Bauteilen mit vorheriger örtlicher Glühbehandlung des Rohlings, erfolgt nach der Herstellung des Rohlings 60 eine zonale Glühbehandlung 35, weshalb das Pressen der Bauteile 70 am bereits örtlich wärmebehandelten Rohling und damit an einem Rohling mit örtlich veränderten mechanischen Eigenschaften vorgenommen werden muss.
• Alternativ zum Verfahrensweg 2 wird im Verfahrensweg 3 die Herstellung von Bauteilen mit einer nachträglichen örtlichen Veränderung der mechanischen Eigenschaften durch eine zonale Glühbehandlung 35 des gepressten Bauteils durchgeführt, wodurch das Pressen der Bauteile 70 mit Vorteil am noch unbehandelten Rohling vorgenommen werden kann. Nach dieser zonalen Glühbehandlung 35 kann dann das in seiner mechanischen Festigkeit örtlich veränderte Bauteil der Weiterverarbeitung zum Fertigprodukt 80 zugeführt werden.

1, 2, 3

Verfahrensweg

10

Warmwalzen

20

gesteuerte Abkühlung

30

Glühbehandlung des gesamten Werkstücks

35

zonale Glühbehandlung

40

Bandverzinkung

50

Pressen von Verbindungselementen

60

Herstellung des Rohlings

70

Pressen der Bauteile

80

Weiterverarbeitung zum Fertigprodukt

Claims (11)

1. Verfahren zur Einstellung gezielter Eigenschaftskombinationen bei warmgewalzten Mehrphasenstählen, deren mehrphasiger Aufbau mindestens 30 % Ferrit und höchstens 50 % Martensit umfasst, beispielsweise Dualphasen- und TRIP-Stählen, die auf einer herkömmlichen Warmwalzstraße, einer Dünnbrammen Gieß-Walzanlage oder entsprechenden Schmal- und Mittelbandstraßen oder einer Drahtstraße mit einer Standardanalyse und einer Standardprozessführung hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Abkühlung aus dem Warmwalzen (10) oder eines späteren Fertigungsschrittes, beispielsweise der Fertigung von Bauteilen, durch eine nach- bzw. zwischengeschaltete Glühbehandlung (30, 35) mit variabler Glühtemperatur und variabler Glühdauer die gewünschten Kombinationen von Festigkeiten und Streckgrenzenverhältnissen an den Mehrphasenstählen eingestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glühbehandlung (30, 35) so durchgeführt wird, dass das resultierende Gefüge aus einer ferritischen Grundmatrix sowie angelassenem Martensit oder Bainit mit 10 bis 50 % des Flächenanteils besteht, wobei durch die Glüh temperatur in erster Linie die Höhe der Streckgrenze durch fein verteilte Ausscheidungen von Karbiden auf den Korngrenzen des Martensits oder Bainits beeinflusst wird und durch die Glühdauer das Zugfestigkeitsniveau einstellbar ist.
3. Verfahren nach Anspruch nach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Glühbehandlung (30, 35) mit einer Glühtemperatur von ≤ 600 °C und einer Glühdauer von ≤ 120 s durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Glühbehandlung (30, 35) offline in einer Durchlaufglüheinrichtung durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Glühbehandlung (30) online im Rahmen einer Bandverzinkung (40) in der Aufheizstufe einer Verzinkungslinie vor dem Einlauf in das Zinkbad durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Glühbehandlung (30, 35) an bereits fertig gepressten Bauteilen vorgenommen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Glühbehandlung (35) zonal, d. h. an örtlich begrenzten Stellen eines Bauteils, gezielt vorgenommen wird.
8. Vorrichtung zur Einstellung gezielter Eigenschaftskombinationen bei warmgewalzten Mehrphasenstählen, deren mehrphasiger Aufbau mindestens 30 Ferrit und höchstens 50 % Martensit umfasst, beispielsweise Dualphasen- und TRIP-Stählen, die auf einer herkömmlichen Warmwalzstraße, einer Dünnbrammen-Gieß-Walzanlage oder entsprechenden Schmal- und Mittelbandstraßen oder einer Drahtstraße mit einer Standardanalyse und einer Standardprozessführung hergestellt werden, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Produktionsanlage bzw. Produktionslinie an einem frei wählbaren Ort eine thermische Anlage angeordnet ist, in der eine Glühbehandlung (30, 35) mit einer variablen Glühtemperatur von ≤ 600 °C und einer variablen Glühdauer von ≤ 120 s durchführbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Anlage ein in einer Verzinkungslinie online angeordneter Durchlaufofen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Anlage eine offline betriebene Durchlaufglüheinrichtung ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Anlage so ausgebildet ist, dass eine zonale Glühbehandlung (35) an örtlich begrenzten Stellen eines Bauteils vor oder nach dessen eigentlicher Herstellung als Fertigprodukt durchführbar ist.